背景技术
随着经济的发展,中央空调系统成为现代建筑物中不可缺少的设施之一。由于中央空调系统耗能量通常较大,故其节能设计势在必行。要确保中央空调系统按照设计的技术参数运行,保证系统运行的可靠性并达到良好的温控效果,中央空调系统的水力平衡控制是一项关键技术。
为了解决中央空调系统水力不平衡的问题,现有技术采用的方法,通常是在系统供水和回水管路中和末端风机盘管设置动态或静态的流量平衡阀。
在中央空调冷冻水系统中,靠近冷冻水泵的末端风机盘管过流量,距离冷冻水泵较远的风机盘管欠流量。流量过大,对风机盘管的换热量影响不大;但流量过小,对风机盘管的换热有较大的影响,这是因为风机盘管水侧换热系数比风侧换热系数大许多。为此在水平横管上布置动态压差平衡阀,维持各区域供、回水压差恒定;在末端风机盘管供水管路上设置动态流量平衡电动二通阀,用以保证风机盘管所需水量,同时起到根据温控信号开启或关断与风机盘管相连的水路的功能;对于组合式空气处理机或新风机,在供水管路上设置动态压差平衡电动调节阀,用以维持机组供、回水压差恒定,并根据出风温度调节机组所需水量。
设置平衡阀虽然可以实现冷冻水系统水力平衡,但是平衡阀的压力损失比较大,且进出口压差需要达到一定值,流量才可以实现平衡。这是由于平衡阀的作用是在进口端的压力升高的时候,在压力的作用下通过机械或电动方式自动调节减小阀口的通流截面积,从而减小流量到预先设定的值,当阀的进口端的压力降低的时候,能自动调节增大阀口端的截面积,使流量增大到预先设定的值。通过反复不断的调节,保持管路中的流量维持在一个相对稳定的水平,但这种调节流量误差较大通常有±25%。并且,这样的系统中近端风机盘管平衡阀压差较大,但远端风机盘管平衡阀的压差较小,为了让平衡阀发挥作用,使远端风机盘管平衡阀的压差达到维持流量平衡的最小压差,就必须提高水泵的扬程;另一方面,空调系统中安装了多个平衡阀后,也会增大系统的流动阻力,为了克服这些阻力,也只能以增大水泵输送功率的方法来解决,这样就增加了整个系统内的能耗。从这个意义上讲,冷冻水系统设置平衡阀虽然也可以解决系统水力失调,却增大了输送水泵的功耗,因此不节能。
为了得到比较好的控制效果,现有技术中也有采用恒定温差控制系统对空调末端进行控制,即在风机盘管的进水口和出水口各设置一个温度传感器,获得风机盘管进出水温差,当换热盘管空气侧的空气流量、温度发生变化时,控制器根据检测到的不同温度,将实际进出水温差与设定温差比较,电动调节阀根据差值调节阀门开度,改变水流量,以保持进出水温度差值不变。通过实验发现,固定温差无法满足所有的工况。在接近名义工况(进风干球温度27℃、湿球温度19.5℃、进水温度7℃、回水温度12℃)时,设定5℃温差才可能较好的维持。工况发生变化,实际温差将大幅度波动,随之流量也跟着大幅度波动。由于风机盘管的换热特性是管内换热系数远大于管外翅片侧换热系数,因此当水流量满足要求时,继续增大水流量,对风机盘管换热量的提高不大,即使水流量进一步增加,并不能相应增加换热效果,从而造成这部份能量的浪费,这样的调节也不利于整个系统的水力平衡。
另外,进水温度直接影响到风机盘管的换热量,固定温差的调节方式还会产生与实际应用严重不相匹配的情况。当进水温度下降时,风机盘管传热温差增大,换热量增大,实际温差就会变大,此时为了满足设定的进出水温差,调节阀会不断开大增加开度,即增加水流量;进水温度上升时,换热量减小,实际温差减小,同样为了满足设定的进出水温差,调节阀会不断关小减少开度,反而减少了水流量。这一调节过程明显不太合理。
所以采用流量平衡阀和固定温差控制这两种调节都存在一定的缺陷,采用流量平衡阀将使系统阻力增大及增加功耗,采用固定温差控制会造成水流量的变化幅度大,使全网的水力平衡不易控制,而且在某些特定的情况下,系统会出现不利于控制的误操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题,是克服上述采用流量平衡阀和恒定温差控
制系统存在的缺陷,获得全网的水力平衡,同时达到节能的效果。
为了解决以上技术问题,本发明的技术方案是,提出了一种变温差自适应空调末端控制系统,包括控制器、调节阀,所述变温差自适应空调末端控制系统用于空调系统的末端控制,控制系统通过调节阀控制空调末端供给风机盘管的冷冻水流量,实现空调系统全网水力平衡;其特征为:所述变温差自适应空调末端控制系统具有变温差自适应调节功能,通过接收进水温度、进风湿球温度,确定空调末端风机盘管的最佳进出水温差,并将采集到的实际进出水温差与最佳进出水温差比较,根据比较结果输出控制信号调整所述调节阀的阀门开度:当实际进出水温差小于最佳进出水温差时,输出第一控制信号使所述调节阀的阀门开度减小;当实际进出水温差大于最佳进出水温差时,输出第二控制信号使所述调节阀的阀门开度增大。
优选地,所述控制器设置有运算模块,运算模块根据接收到的进水温度和进风湿球温度信号进行计算处理得出最佳进出水温差。
进一步,所述变温差自适应空调末端控制系统在风机盘管进风口设置有湿球温度传感器,湿球温度传感器和所述控制器电连接或无线信号连接;或者所述变温差自适应空调末端控制系统设置有干球温度传感器和湿度传感器,所述的干球温度传感器、湿度传感器和所述控制器电连接或无线信号连接,所述控制器根据干球温度传感器、湿度传感器得出湿球温度。
优选地,所述控制器内设置有查询模块,查询模块中具有对应各参数相关的最佳进出水温差,控制器根据接收到的进水温度、进风湿球温度可以得出相应的最佳进出水温差。查询模块可以是查询表,也可以是其它便于查询的方式。
其中,
为计算最佳进出水温差,
为进风湿球温度,
为进水温度,
为名义工况下的进出水温差,
,δ为修正常量。
进一步,最佳进出水温差与
风量档位相关,最佳进出水温差
其中,
为计算最佳进出水温差,
为进风湿球温度,
为进水温度,G为风机档位风量,
为中风速档时的风量,
为名义工况下的进出水温差,
,δ为修正常量。
优选地,在风机盘管的进水管路和出水管路上设置有测温球阀,所述测温球阀的测量信号线和控制器电连接;所述变温差自适应空调末端控制系统在出水管路上设置有带有执行器的流量调节阀,所述的流量调节阀执行器与控制器电连接;所述变温差自适应空调末端控制系统还设置有温控面板、湿球温度传感器或湿度传感器,温度传感器与所述温控面板或控制器电连接或无线信号连接。
一种变温差自适应空调末端控制方法,其特征在于:变温差自适应空调末端控制系统用于空调系统的末端控制,控制系统通过调节阀控制空调末端供给风机盘管的冷冻水流量,实现空调系统全网水力平衡;所述变温差自适应空调末端控制系统具有变温差自适应调节功能,控制方法包括以下步骤:
1、通过接收进水温度、进风湿球温度,确定空调末端风机盘管的最佳进出水温差;
2、通过接收进水温度、出水温度得出实际进出水温差;
3、将实际进出水温差与最佳进出水温差比较,根据比较结果输出控制信号调整调节阀的阀门开度以控制进入风机盘管的进水量:当实际进出水温差小于最佳进出水温差时,输出第一控制信号使所述调节阀的阀门开度减小;当实际进出水温差大于最佳进出水温差时,输出第二控制信号使所述调节阀的阀门开度增大。
优选地,在步骤1中,通过接收进水温度、进风湿球温度、风速档位信号,确定空调末端风机盘管的最佳进出水温差:
上式中,
为计算最佳进出水温差,
为进风湿球温度,
为进水温度,G为风机档位风量,
为中风速档时的风量,
为名义工况下的进出水温差,
和δ为修正常量。
优选地,所述变温差自适应空调末端控制方法,适用于前面所述的变温差自适应空调末端控制系统。
本技术方案成本较低,只需要采用一个电动调节阀、一个控制器、一对配对温度传感器、一个湿度传感器,若将湿度传感器集成在温控面板上,则可以省掉单独的湿度传感器。与采用动态平衡电动二通阀相比,成本更低,且不会像平衡阀那样增加系统阻力。
具体实施方式
下面以采用冷冻水循环系统的中央空调为例进行具体说明,图1是变温差自适应空调末端控制系统应用在中央空调中的实施例,在本实施例中,每一个末端风机盘管都安装了一套该系统,独立控制风机盘管的水量,所以每一个末端都是相对独立的控制系统。当中央空调开机运行时,冷冻水系统的水泵11启动,通过供水管路12向每个末端风机盘管供水,具体到其中某一个末端,冷冻水流经进水测温球阀6,再进入风机盘管1,在风机10的作用下风机盘管1的换热器和外界换热,经过换热后的冷冻水再流经流量调节阀3,并由调节阀3控制进入空调末端风机盘管1的水流量,经出水测温球阀5回流至回水管路13,经过水泵11进入下一个循环。
由于多种因素的限制,冷冻水的管路直径不可能做得很大,因而循环过程中必然存在一定的阻力,而每台空调末端与水泵的距离是远近不等的,这样就会造成靠近水泵的空调末端由于所受阻力小,水压会比较高,而远离水泵的空调末端由于管路长所受阻力大,水压就会比较低。
对每一个独立控制的末端风机盘管1,其控制过程是:温控面板7上的开机按钮按下后,控制器4接收到开机信号,通过执行器9使流量调节阀3打开到程序中设定范围。这时离水泵距离较近的空调末端水压比较高,因此通过该末端的水流量就会相对较大,但当风机盘管1达到名义工况下的水流量后,继续增大流量对换热影响很小,只呈稍微增加趋势;但若流量减小,则对换热有较大的影响。这是由于风机盘管1管内水侧换热系数比管外翅片侧换热系数大许多的换热特性所决定,由以下公式可理解:
上式中,Q为风机盘管换热量、K为总传热系数、F为换热面积、
为换热温差、
为水侧换热系数、
为风侧换热系数、
为接触热阻、
为外表面积与内表面积之比、
为析湿系数、
为翅片效率。
所以当风机盘管1达到名义工况下的水流量后再增加的流量并不能全部充分参与换热,而使风机盘管1进水端和出水端的温差
明显变小。这时变温差自适应空调末端控制系统就会通过检测到的进水温度
和进风湿球温度
、风速档位G等参数,计算得出这一末端系统当前工况下的最佳温差
,并将系统测得的实际温差
与这一计算最佳温差
进行比较,得出应该增大实际温差
的结论, 控制器4向执行器9发出指令,执行器9控制流量调节阀3减小阀门开度,使通过风机盘管1的流量减少到足以满足换热量的范围,即风机盘管名义工况下的水流量。
而离水泵距离较远的空调末端由于管道长阻力大,水压相对比较低,通过该末端的水流量就会相对较小,造成和外界换热量不足,使风机盘管1的进水端和出水端的温差
变大,同样变温差自适应空调末端控制系统会通过检测到的进水温度
和进风湿球温度
、风机档位G等参数,计算得出最佳温差
,并将系统测得的实际温差
与这一计算最佳温差
,得出应该减少实际温差
的结论,控制器4向执行器9发出指令,执行器9控制流量调节阀3增大阀门开度,使通过风机盘管1的流量增加到能满足换热量的范围,即风机盘管名义工况下的水流量。通过对调节阀3流量的不断调整,使实际温差
等于计算温差
,说明此时风机盘管1的水流量已经达到名义工况下的水流量,该一轮调节结束,进入下一个调节循环。这里实际温差
等于计算温差
并不是指完全相等,而是指两者之间的差值小于程序中设定范围,如小于0.5℃或1℃。
由于所有末端都是采用同样的控制系统,所以各个末端都可以单独稳定控制,虽然工况在不断变化,但变温差自适应空调末端控制系统在运行的过程中总是能计算得出一个最佳的温差
来与实际温差
比较,即使在极端的情况下,比如空调系统刚开机的时候,该控制系统也能很好的控制流经风机盘管1的冷冻水流量使其趋于恒定,同时减少不必要的冷冻水浪费。
在调整过程中室内干球温度T、湿球温度
、进水温度
变化需要一定时间,因此检测数据和计算最佳温差
可以预设定一个理想间隔时间,如本实施例设定为5-10分钟,理想间隔时间可以根据系统具体情况进行设置,以避免频繁检测和调整。
末端风机盘管都是采用单独控制,因此适用性广,不易受到其它因素影响。例如,某中央空调系统有100台风机盘管,在A时间段只有10台处于开机状态,通过这10台风机盘管的流量较大,调节阀就会自动关小,使风机盘管进出口冷冻水实际温差等于计算最佳温差或设定最佳温差。到B时间段,又增加打开了20台风机盘管,由于需要的冷冻水量增加,这时在A时间段已打开的10台风机盘管流量会减小,调节阀又会增加阀门开度而增大这10台风机盘管的流量,使实际温差趋于计算最佳温差。
实际上,无论每个空调末端环境的温湿度状态如何变化,无论末端风机盘管的开关机数量如何变化。对于每一台运行的风机盘管,变温差控制系统都能自动调节该风机盘管的流量,使其达到名义工况下的水流量。
图2是具体到某一末端的采用变温差自适应空调末端控制系统的第一实施例的示意图,在这个控制系统中,空调循环水由进水测温球阀6流入,进入空调末端风机盘管1和外界空气换热,经过调节阀3并由调节阀3控制进入空调末端风机盘管1的水流量,再经出水测温球阀5流出,冷冻水回到中央空调主机进行下一个循环。温控面板7用于显示测量和控制数据,并和控制器4以及风机盘管1的接线端子2电路连接,调节阀3上有执行器9,其电信号和控制器4连接,进水测温球阀6和出水测温球阀5上分别有温度传感器,其电信号和控制器4相连,湿度传感器8的电信号也和控制器4相连,控制器4是控制系统的关键部件,负责接收进水测温球阀6和出水测温球阀5的温度电信号,接收湿度传感器8的湿度电信号,在本实施例中控制器4与温控面板7是通过RS485相连,采集开关机信号、风速档位信号G、室内环境干球温度T、设定温度。经过控制器4计算出当前工况下的风机盘管1进出水最佳温差
,并将检测到的风机盘管1进出水温差
与计算最佳温差
比较,然后根据比较结果向执行器9发出指令,使调节阀3开大或关小,使实际的进出水温差
逐步靠近并最终等于控制器4计算的最佳温差
。流量调节阀3调节开度变化量的大小可根据实际温差
与最佳温差
之间差值的大小确定,以缩短调节时间,使系统尽早趋于稳定。
在本实施例中,控制器4与其它部件间是采用连线方式连接并传输信号,应该说明的是,控制器4也可以采用无线传输的方式与其它部件间建立联系并传输信号。
该控制系统的控制过程如下:
当空调开机,末端的风机盘管系统开始工作后,进水测温球阀6上的温度传感器采集风机盘管1的进水温度
,出水测温球阀5上的温度传感器采集风机盘管1的出水温度
,湿球温度传感器8采集进风湿球温度
,把进水温度
、出水温度
、湿球温度
、室内温度T、风速档位G输入控制器4中的运算模块,计算得出最佳进出水温差
并将检测到的风机盘管1进出水温差
与计算最佳温差
比较,然后根据比较结果向执行器9发出控制信号。
在本实施例中,最佳进出水温差
与
正相关,其计算公式如下:
上式中,
为最佳进出水温差,
为进风湿球温度,
为进水温度,
为名义工况下的进出水温差,通常为5℃,具体可以根据实际使用的风机盘管1确定;
,δ为修正常量。即从公式中可以看出,在风机盘管1确定的情况下,计算最佳温差
主要取决于进风湿球温度
与进水温度
。
为了更进一步保证温差控制的准确性,还可以将风机档位G等参数也考虑进去,使最佳温差
的设定、控制更加准确,可以更快地实现调整,最佳温差
计算公式如下:
上式中,
为最佳进出水温差,
为进风湿球温度,
为进水温度,G为风机档位风量,
为中风速档时的风量,
为名义工况下的进出水温差,通常为5℃。这里计算时风机档位风量
采用中风速档时的风量,是考虑到风机的档位一般常规设置为高风速、中风速和低风速3档,这里取了中间值,以风机的中风速档作为标准进行拟合比照得出。
,δ为修正常量,具体与所选用的风机盘管系统有关;具体地在其中一种实施方式中,
为1,δ为0。另外本实施方式并不限于此,也可以采用高风速档作为标准,只需要将相应的系数进行拟合与调整即可,这对本技术领域的技术人员来说应该是可以理解的。
控制器4将实际温差
和最佳温差
进行比较,发出调节阀开度减小的第一控制信号和调节阀开度增大的第二控制信号。
当实际温差小于最佳温差时,生成阀门开度减小的第一控制信号,控制器4向调节阀3的执行器9发出减小开度信号,执行器9接受信号,完成调节阀3开度减小的动作。
当实际温差
大于最佳温差
时,生成调节阀开度增大的第二控制信号,控制器4向调节阀3的执行器9发出增加开度信号,执行器9接受信号,完成调节阀3开度增大的动作。
以上的调节阀开度减小或增大,是控制过程的一个步骤,在控制器4的一个数据采集时间间隔里,控制器4会将实际温差
与计算的最佳温差
比较,不断重复调节阀3开度减小或增大的调节过程,使实际温差
与计算的最佳温差
趋近到0.5℃或1℃,当这一数值达到后,本轮调节结束。控制器4在新的数据采集时间间隔里采集到新的数据时,会重新计算出新的最佳温差
并进行新一轮的调整,使实际温差
和最佳温差
吻合,保持风机盘管1内的流量恒定。
温差计算关联式中需要用到风机盘管进风湿球温度
这一参数,由于湿球温度传感器价格较高,可以将湿球温度传感器8改为采用测量进风干球温度T和相对湿度U计算出进风湿球温度
,进风湿球温度
由控制器4计算得出。
本发明中的进风湿球温度的计算采用误差较小的逼近法,计算式如下:
上式中,
为水蒸汽的压力,T为干球温度,
为湿球温度,P为大气压,A为干湿表系数,
为湿球温度所对应的纯水平液面饱和水蒸汽压力。
使用湿度传感器(湿敏电容)可测出相对湿度,由相对湿度计算水蒸汽压力的公式如下。
上式中,
为水蒸汽压力,T为干球温度,U为相对湿度,
为干球温度所对应的纯水平液面饱和水蒸汽压力。
选取合适的进风湿球温度,采用逼近算法,使
最小,此时的湿球温度就是所要得到的进风湿球温度
。另外上面实施方式中是采用了计算得出最佳进出水温差
,但本发明并不限于此,还可以采用在空调系统调试时,将相关计算结果进行测试、拟合并固化在控制器的查询模块中,如生成查询表的形式,在实际运行时,只要控制器4接收到相关的信息,就可以从控制器4的查询表中得出这种运行工况下的最佳进出水温差
,以实际测出的进出水温差
与查询表中得出的最佳进出水温差
进行比较,并实施控制调节,具体发送给调节阀3的控制信号的变化量可根据实际测出的进出水温差
与查询表中得出的最佳进出水温差
之间差值的大小来确定,这样同样可以实现本发明的目的。本领域的技术人员应能理解,查询模块也可以采用除查询表以外其它便于查询的方式,可达到的目的是一样的。
图3是采用变温差自适应空调末端控制方法的控制系统的第二实施例,和第一实施例不同的是,在本实施例中,采用的是带有温湿度检测功能的温控面板7’,第一实施例中的湿球温度传感器8被组合在温控面板7’上,并且湿球温度
由温控面板7’传送给控制器4’,其工作原理、工作方式可以参照第一实施例,这里就不再进行详细介绍。另外,控制器4’既可以单独设置,也可以集成在温控面板7’中,进水测温球阀6和出水测温球阀5也可以采用一般的通断阀,另外再设置温度传感器的形式来替代;另外流量调节阀3’可以采用带截止功能的流量调节阀,这样就可以取消进水测温球阀6和出水测温球阀5,而只要在风机盘管1前、后分别设置温度传感器即可。
图5是控制系统的控制流程图,其过程是:
第一步,采集进水温度
、出水温度
、室内湿球温度
、风速档位G。在本说明介绍的实施例中,采集的时间间隔是5—10分钟,这是考虑到风机盘管1的流量进行一次调整后,系统稳定需要一定的间隔时间,如果频繁采集并进行调节,反而会使系统不断处于波动中不容易稳定。但如果认为系统调整有必要,数据采集的时间间隔是可以在系统中另行设置的。需要说明的是,系统开机工作时需要确认调节阀的初始状态,如果不在初始状态则需要调整返回到初始状态,这一过程需要一定时间,这也是必须控制适当的数据采集时间间隔的因素之一。
第二步,进水温度
、湿球温度
、风速档位G输入控制器4中的数学模型,计算得出最佳的进出水温差
。当最佳温差
确定以后,在设定的一个调整周期里不再变化,在本说明的实施例中,这个周期就是第一步所设置的数据采集间隔时间。
第三步,将实际温差
与最佳温差
进行比较,若实际温差
小于最佳温差
,则生成使阀门开度减小的第一控制信号;若实际温差
大于最佳温差
,则生成使阀门开度增大的第二控制信号。
第四步,根据第一控制信号,执行器9动作,减小阀门的开度;或者根据第二控制信号,执行器9动作,增大阀门的开度。
第五步,将实际温差
与最佳温差
比较。执行器9执行了控制器4的一个减小或增大阀门开度的信号以后,控制器4将实际温差
与最佳温差
比较,如果调节过度或者不足,就需要进行第二次调节,具体的判断标准是:实际的进出水温差
与计算的最佳温差
之差的绝对值是否超过0.5℃或1℃,如果超过,控制器4会向执行器9发出减小或增大阀门开度的信号,再次执行从第三步到第五步的动作。使实际温差
与最佳温差
的绝对值不断趋于接近。
第六步,实际温差
与最佳温差
比较后的绝对值误差小于0.5℃或1℃时,控制器4就确认实际温差
与最佳温差
相等,本轮调节结束,待到达下一次数据采集间隔时间后进入新一轮调节。这里实际温差
与最佳温差
比较后的绝对值误差小于0.5℃或1℃只是说明实施例的情况,两者相等的范围可根据系统的具体情况而设定,并不限于此。
最后应该说明的是:以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案,因此,尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,本专利发明人仍然可以对本发明进行修改或者等同替换;而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。